Come nasce un telaio? Quali sono le tecniche di lavorazione del carbonio?
Ad inizio marzo avevamo pubblicato il primo approfondimento su questo materiale composito che a partire dai primi anni 2000 ha rivoluzionato il mondo del ciclismo.
Viaggio nella fibra di carbonio: dagli Egizi ai telai delle bici moderne…
Proseguiamo il nostro viaggio alla scoperta dalla fibra di carbonio grazie a Luca Bernardotto (foto sotto), titolare di Compositex S.r.l., azienda che dal 1986 si occupa della lavorazione di questo materiale.
Una realtà che oggi può vantare clienti e collaborazioni d’alto livello nel settore aerospaziale e nel motorsport con un occhio rivolto al ciclismo.
Dall’unione d’intenti con il marchio Exept nascerà nel vicentino una fabbrica dedicata alla produzione in serie di telai in fibra di carbonio, ovviamente Made in Italy.
E proprio sulla produzione di massa si sono concentrate le nostre attenzioni.
Le tecniche di lavorazione del carbonio: dal tessuto al prodotto
I metodi per produrre una struttura in fibra di carbonio sono sostanzialmente sei:
– laminazione a freddo;
– laminazione e polimerizzazione in autoclave;
– filament winding;
– infusione di resina;
– RTM (Resin Transfer Molding o stampaggio a trasferimento di resina);
– press molding (stampaggio a compressione).
Laminazione a freddo
Il tessuto viene adagiato su uno stampo/struttura ed in un secondo momento viene impregnato manualmente di resina.
È una tecnica usata per rivestire componenti plastici e metallici ed aggiungere strati ad una struttura proveniente da uno stampo. La laminazione a freddo è molto usata in campo hobbistico dagli appassionati di modellismo, ma non solo.
Per i velisti impegnati in una traversata oceanica si tratta dell’unico modo possibile per riparare lo scafo in condizioni d’emergenza.
Laminazione e polimerizzazione in autoclave
Tra le tecniche di lavorazione della fibra di carbonio è, assieme al press molding, la più usata per la produzione dei telai ad alte prestazioni dedicati al ciclismo.
Come indicato nel nostro primo articolo – Viaggio nella fibra di carbonio: dagli Egizi ai telai delle bici moderne… – la laminazione avviene nella cosiddetta camera bianca che in Compositex corrisponde ad un ambiente di 240 m² dove temperatura (22°C), umidità (50%) e pressione sono costanti sette giorni su sette, 365 giorni l’anno.
Le pezze di tessuto preimpregnato vengono adagiate su uno stampo secondo un determinato schema di laminazione e finitura esterna.
Non sempre infatti la laminazione corrisponde a quanto rilevato dai nostri occhi.
A seconda della composizione lo stampo viene inserito in un sacco a vuoto sigillato con butilene e messo in autoclave per 3/6 ore (riscaldamento, mantenimento e raffreddamento) ad una temperatura che può variare tra i 100 ed i 180°C.
Le specifiche in genere vengono dettate dalle schede tecniche dei produttori della fibra di carbonio (Toray, Mitsubishi, Tenax, etc).
Non scendiamo nel dettaglio del processo di cottura, ma tramite il calore e l’utilizzo di aria e azoto si generano forze di compressione e decompressione che permettono di polimerizzare la struttura in maniera uniforme.
Uno dei punti di forza della cottura in autoclave è quello di distribuire in maniera uniforme la pressione sul laminato in modo tale da limitare il più possibile lo scorrimento delle pezze di tessuto (che su un telaio d’alta gamma in genere sono oltre 300).
Questo fenomeno, infatti, se non gestito correttamente può portare ad una struttura apparentemente integra che al suo interno presenta però zone di vuoto, che a lungo andare possono dar luogo a cedimenti e rotture causate da spessori non conformi.
Questo metodo di indurimento dei telai viene usato anche dagli artigiani che producono bici su misura.
Filament winding
È possibile impregnare e avvolgere un filo al carbonio attorno ad struttura cilindrica?
La risposta è sì grazie al filament winding, la tecnica usata ad esempio da 3T per produrre le tubazioni dei suoi telai.
Il filo esegue un bagno di resina prima di essere posizionato dall’avvolgitore.
Lo scoglio tecnico da superare sono gli angoli: a mano a mano che diventano più acuti generano instabilità. Un tecnica molto delicata che non ammette errori e sbavature.
Infusione di resina
Consiste nell’adagiare il tessuto su uno stampo e impregnarlo di resina per infusione tramite depressione. L’esempio può essere quello si uno scafo o di una slitta (foto sotto).
La struttura viene inserita in un sacco dotato di due fori. Attraverso il primo scorre la resina. In contemporanea attraverso il secondo foro viene eliminata l’aria.
QUI un video con tutti i dettaglio passo dopo passo di questa lavorazione.
RTM (Resin Transfer Molding)
Per certi aspetti potrebbe assomigliare all’infusione, ma nell’RTM la pressione con cui la resina viene introdotta in uno stampo gioca un ruolo fondamentale.
Le tubazioni di un telaio costruite con questa tecnica presentano un tessuto secco e sono modellate attorno ad un’anima. La struttura viene posizionata all’interno di uno stampo: solo a questo punto la resina viene iniettata all’interno con il telaio che viene impregnato in maniera uniforme.
Qui sotto un video che spiega il processo di lavorazione dei telai Time.
Press molding
È la tecnica più usata per la produzione di serie perché a parità di tempo permette di ottimizzare i tempi del ciclo produttivo.
Un esempio? Per ogni telaio prodotto in autoclave si possono stimare tre telai derivati da press molding.
Il tessuto preimpregnato viene posizionato su uno stampo a sua volta pressato e riscaldato.
All’interno del telaio si trova la cosiddetta vescica che messa in pressione va a comprimere il laminato sulle pareti dello stampo. Vescica che poi viene o lasciata all’interno della struttura o recuperata per successive lavorazioni.
Dallo stampo esce, in genere, il triangolo principale e parte del carro posteriore con i terminali (lato destro e sinistro) che vengono successivamente incollati.
In Asia questa tecnica viene usata da circa vent’anni ed è proprio sul press molding che si concentrano le attenzioni di chi vuole riportare la produzione in Europa o nel paese della propria Azienda (reshoring).
Qui un video Scott, uno dei primi marchi al mondo ad utilizzare questa tecnica grazie alla tecnologia IMP (Integrated Molding Process).
Al centro sempre la mano dell’uomo
Nonostante le diverse tecniche di lavorazione del carbonio c’è una costante che la tecnologia non è ancora riuscita del tutto a sostituire: la mano dell’uomo durante il processo di laminazione e disposizione delle fibre prima della polimerizzazione.
Una lavorazione che viene ancora oggi effettuata senza l’impiego di tecnologie anche in Cina e Taiwan, dove vengono prodotti la maggior parte dei telai in carbonio.
Artigianalità e tecnologia sono riusciti a ridurre il margine d’errore che però rimane sempre in agguato. Controllo qualità e indagini non distruttive permettono di vedere se dentro al telaio è tutto al suo posto…
Alla prossima puntata!
Foto in apertura: 3T
La riparazione è un’ulteriore tecnica di lavorazione del carbonio. Come si interviene per rimediare ad un danno? Qui sotto tutti i dettagli.
